从微细结构角度分析红砂岩的强度特性.pdf

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1、http:/-1-从微结构角度分析温度对水泥土强度形成的影响从微结构角度分析温度对水泥土强度形成的影响1 胡昕1，洪宝宁1，周宇泉2 1河海大学岩土工程研究所，江苏南京(210098)2江苏省南京市高速公路建设指挥部，江苏南京(210008)E-mail： 摘摘 要：要：运用自主开发的微细结构光学测试系统，对荷载作用下红砂岩微细结构的演化进行了全程观测，并测定了对应岩样的无侧限抗压强度和提取了相应的微细结构量化参数。运用多元线性回归分析法对微细结构量化参数和无侧限抗压强度进行关联性分析，筛选出了对红砂岩无侧限抗压强度有显著影响的微细结构要素，并对荷载作用下显著性微细结构要素的演化特性进行了分析

2、。研究结果表明：红砂岩的单轴抗压强度主要与密实程度、微孔洞等缺陷的分布情况及颗粒之间的联结状态有关，随着红砂岩风化程度的增强，以上各因素对其单轴抗压强度的影响将更加显著；随荷载的增加，红砂岩的颗粒面积比例及欧拉数总体上趋于减小，孔隙分布分维趋于增大，内部结构的稳定性不断降低。关键词：关键词：红砂岩，微细结构，关联性分析，演化特性 中图分类号：中图分类号：TU411.92 1.引引 言言 岩土材料在工程环境下所表现出众多而复杂的工程特性和现象，都与其内部微细结构的形态和变化有关。因而，揭示岩土体工程特性与其微细结构形态及变化之间的内在规律性，建立具有微细结构变化特征背景的关系式，不仅对岩土力学理

3、论进一步深入研究具有十分重要的科学意义，而且对分析和评价岩土的工程特性及其对工程建设的适应性也有着明显的现实性。岩土材料微细结构的研究与试验水平密切相关，随着扫描电镜（SEM）、电子探针、透射电镜等新兴技术的不断引入和计算机图像处理技术的提高，对岩土材料微细结构研究已由单纯地定性描述发展到了定量描述和分析。目前，这方面的研究主要集中在结构特征的量化和岩土材料微细结构变化与工程性质的定量分析上，吴义祥等1应用计算机图像分析技术从信息熵角度对工程粘性土结构排列状态进行了定量研究，刘松玉23推出了粒度分维分析方法等，提出了大量的微细结构量化参数。由于岩土材料的物理力学性质是微细结构状态的总体反映，是

4、诸多结构因素共同作用的结果，不同的结构因素对岩土材料的物理力学性质的影响差别很大，并且表征结构状态的结构量化参数对工程特性的影响不是完全独立的，而是存在着一定的交叉4。所以为了能够准确地反映岩土材料物理力学性质与微细结构状态之间的关系，必须筛选出影响显著的微细结构量化参数。同时，岩土材料在受力压缩时，其工程性质亦将发生相应的变化，这种变化是通过其结构状态的调整来实现的。因此，要想揭示物理力学行为的本质规律，必须掌握岩土材料在受力过程中微细结构相应的变化情况。本文运用自主开发的微细结构光学测试系统，对荷载作用下红砂岩微细结构的演化进行了全程观测，测定并提取了对应岩样的无侧限抗压强度和相应的微细结

5、构量化参数。运用多元线性回归分析法对微细结构量化参数和无侧限抗压强度进行关联性分析，筛选出对岩样无侧限抗压强度有显著影响的微细结构要素，并对荷载作用下显著性微细结构要素的演化特性进行了分析。1本课题得到国家自然科学基金项目（No.50279008）的资助。http:/-2-2.试验介绍试验介绍 本次试验选用采自南京某水利枢纽工程地基中的风化红砂岩，岩样分别制成圆柱体形70mm100mm 和半圆柱形 50mm100mm 两种，以便进行单轴压缩试验和单轴压缩状态下的微细结构试验。单轴压缩试验在 RMT-150B 多功能全自动刚性岩石伺服试验机上完成，测得了各岩样的无侧限抗压强度，部分结果见表 1。

6、与之对应的微细结构试验是利用河海大学自行研制的岩土微细结构光学测试系统完成的。利用岩土微细结构光学测试系统的加载设备对岩样施加轴向荷载，以轴向应变控制 CCD 摄像仪采集经长距离显微镜放大的试样微细结构照片的频率，本次试验每 0.5%的应变量采集微细结构图片一次，并将得到的微细结构照片传入计算机中，利用图像采集卡将传入计算机中的视频信号转化为数字图像，同时利用传感器测读试样承受的荷载及轴向位移信息，并传输到计算机中5。由于篇幅所限，仅列出干燥条件下中风化岩样某一观测点的微细结构图片，如图 1 所示。然后，利用自行编制的岩土微细结构分析程序 GeoImage 对每幅微细结构图像进行处理分析，获得

7、岩样微细结构的孔隙及颗粒数目、面积、周长、定向度、分布分维等量化信息。将各组岩样不同受载状态下各个观测点的微细结构量化参数取平均值，这里仅给出初始状态下部分岩样的微细结构量化参数，如表 1 所示。应变 0%应变 2%应变 4%应变 6%应变 8%图 1 干燥条件下不同应变率中风化红砂岩的微细结构图片（放大 200 倍）6 Fig.1 The microscopic pictures of red sandstone with intermediate weathering and dry state(by zooming 200 times)表 1 岩样初始状态的微细结构量化参数均值与单轴抗压

8、强度统计表 Table1 Statistical table of quantized micro-structural parameters under initial state and uniaxial compressive strength 圆 度 面积比例（%）定向度 分布分维 不均匀系数 岩样编号 风化程度 颗 粒 孔 隙 颗 粒 孔 隙 颗 粒 孔 隙 颗 粒 孔 隙 颗 粒 孔 隙 欧拉数 单轴抗压强度（MPa）Q3 全 0.81 0.88 77.2 22.80.700.722.441.822.672.97 0.32 0.45 Q7 全 0.88 0.68 78.1 21.9

9、0.780.682.311.782.752.68 0.38 0.56 S4 强 0.81 0.89 82.1 17.90.750.652.081.652.232.30 0.40 3.38 S5 强 0.85 0.72 83.4 16.60.780.652.041.642.712.65 0.44 3.56 Z1 中 0.70 0.88 86.1 13.90.740.581.881.542.612.53 0.46 5.85 Z2 中 0.78 0.97 86.7 13.30.690.631.851.573.112.40 0.50 5.94 R2 弱 0.67 0.89 91.2 8.8 0.740

10、.571.761.413.372.96 0.53 7.48 R5 弱 0.68 0.78 92.1 7.9 0.740.551.731.382.802.65 0.58 7.43 http:/-3-3.强度与微结构量化参数关联性分析强度与微结构量化参数关联性分析 红砂岩的内部结构是由颗粒和孔隙（或裂隙）构成的，而颗粒主要是由单粒(原生矿物的碎屑)和集粒(细小矿物颗粒、个别有较大的原生矿物碎屑被一些胶结物胶结而成的矿物集合体)组成。为了研究红砂岩强度与初始微细结构之间的关系，本文主要通过颗粒（孔隙）大小特征参数等效直径和相对面积，颗粒（孔隙）形状特征参数圆度，颗粒（孔隙）分布特征参数分布分维，颗粒

11、（孔隙）定向排列特征参数定向度，颗粒之间联接特征参数欧拉数等来定量描述红砂岩的微细结构7。考虑到红砂岩的物理力学性质是其微细结构状态的总体反映，是诸多结构要素共同作用的结果，各结构作用大小存在差异且有一定程度的交叉，本节运用多元回归分析法对砂岩单轴抗压强度和各微细结构量化参数进行了相关性分析，筛选出了对红砂岩强度有显著影响的微细结构要素。3.1 强度与微细结构量化参数的回归分析强度与微细结构量化参数的回归分析 多元线性回归分析法是一种很好的统计数学方法,利用多元逐步回归分析可以把对因变量有显著影响的自变量逐个引入回归方程，剔除由于其它变量加入而削弱对因变量的作用程度的自变量，以保证回归式中只含

12、有显著变量。考虑到红砂岩微细结构量化参数对其物理力学特性的影响或大或小，各不相同。且各参数的作用并非完全独立，其间存在着一定的交叉影响，为充分体现微细结构量化参数对红砂岩物理力学特性的影响，运用逐步回归分析的方法，得到了能够反映不同风化程度红砂岩各微细结构量化参数与单轴抗压强度之间关系的回归方程，见（1）-（4）式。对于全风化红砂岩回归方程为：+=188.0570.5146.0065.2KPuHAq （1）对于强风化红砂岩回归方程为：+=194.0640.3138.0731.0KPuHAq （2）对于中风化红砂岩回归方程为：+=254.0078.3122.0432.2KPuHAq （3）对于弱

13、风化红砂岩回归方程为：+=374.0919.2114.0152.3KPuHAq （4）式中，uq为单轴抗压强度；PA为颗粒所占面积比例；KH为孔隙分布分维均；为欧拉数。http:/-4-微细结构量化参数与强度的回归计算结果表明，回归分析复相关系数达到 0.9426，且经回归公式计算的数值与实际值误差率不超过 5%，则说明该公式回归效果较好，计算精度较高。公式中只出现颗粒面积比例、孔隙分布分维和欧拉数三个微细结构量化参数，说明其它量化参数对红砂岩的单轴抗压强度影响并不大。上述三个微细结构量化参数与红砂岩单轴抗压强度的相关系数如表 2 所示。3.2 强度与微细结构量化参数的关联性分析强度与微细结构

14、量化参数的关联性分析 逐步回归公式表明，对红砂岩强度产生显著影响的微细结构量化结构参数主要有 3 个，下面将逐一对各微细结构量化结构参数与抗压强度的关联特征做进一步的分析探讨。3.2.1 颗粒面积比例与单轴抗压强度间的关系颗粒面积比例与单轴抗压强度间的关系 颗粒面积比例与红砂岩的单轴抗压强度呈正相关关系，颗粒面积比例越大，红砂岩内部微孔洞及微裂缝越少，即内部初始损伤少，红砂岩的密度和单轴抗压弹性模量增大。这是因为红砂岩从表 2 可以看出，随着红砂岩风化程度的减弱，红砂岩单轴抗压强度与颗粒面积比例的相关系数呈下降趋势，说明当红砂岩风化程度减弱时，颗粒面积比例对单轴抗压强度的影响相对减弱。这主要因

15、为随着风化程度的减弱，红砂岩内部的孔洞、微裂缝等缺陷分布趋于均匀，颗粒之间具有较为稳固的联结，颗粒面积比例变化幅度趋于减小，导致红砂岩的单轴抗压强度对内部颗粒面积比例的依赖性减弱。3.2.2 孔隙分布分维与单轴抗压强度间的关系孔隙分布分维与单轴抗压强度间的关系 孔隙分布分维与红砂岩的单轴抗压强度呈负相关关系，孔隙分布分维越大，红砂岩内部孔隙越发育、数量越多，平面离散化程度越高，土体颗粒在空间的分布范围和结构骨架的松散度大幅提高，从而在加载受力条件下，进行较大幅度的结构调整，产生较大的变形，抗压强度较低。从表 2 可以看出，随着红砂岩风化程度的减弱，红砂岩单轴抗压强度与孔隙分布分维之间的相关系数

16、逐步减小，说明当红砂岩风化程度减弱时，孔隙分布分维对单轴抗压强度的影响相对减弱。3.2.3 欧拉数与单轴抗压强度间的关系欧拉数与单轴抗压强度间的关系 欧拉数与红砂岩的单轴抗压强度呈正相关，欧拉数越小，红砂岩内部孔洞及微裂缝越发育，颗粒之间的接触带越不发育，孔洞及微裂缝贯通程度高，导致颗粒所构成的骨架松散程度较大，即具有非稳定特点，在外界压力的作用下容易变形破坏。从表 2 可以看出，随着红砂岩风化程度的减弱，红砂岩单轴抗压强度与欧拉数之间的相关系数逐步增大，说明当红砂岩风化程度减弱时，欧拉数对红砂岩单轴抗压强度的影响相对增强。通过上述分析可知，红砂岩的单轴抗压强度主要与红砂岩的密实程度、内部孔洞

17、等缺陷的分布情况及内部颗粒之间的联结状态有关，随着红砂岩风化程度的增强，以上各因素对其单轴抗压强度的影响将更加显著。表 2 不同风化程度红砂岩相关系数 Table 2 Correlation coefficient of red sandstone with various rate of decay 颗 粒面 积比例 孔隙分布分维欧拉数 风化程度 0.146-5.570 0.188 全风化 0.138-3.640 0.194 强风化 相关系数 0.122-3.078 0.254 中风化 http:/-5-4.单轴压缩下微细结构演化特性分析单轴压缩下微细结构演化特性分析 随着荷载和应变的增加，

18、红砂岩的内部结构不断调整，以适应新的荷载和变形条件的需要。这个过程与结构内部颗粒（孔隙）大小变化、颗粒（孔隙）形态变化、颗粒（孔隙）分布形式变化以及颗粒相互联结变化等密切相关。红砂岩受荷变形的过程中存在着两个相互独立的现象结构的弱化作用和强化作用，这二者同步进行。在不同的荷载作用下，随着时间的推移，如果结构强化占优势，则变形带有衰减特征；如果结构弱化占主导，则发展以破坏而告终的非衰减变形。为了对荷载作用下红砂岩微细结构演化过程有个更为清楚的认识，下文将在上节的基础上，着重对与红砂岩强度有显著关联的微细结构量化参数在荷载作用下的变化进行分析，探讨在连续加载条件下红砂岩微细结构的变化规律，及其与红

19、砂岩强度特性的关系。4.1 颗粒面积比例演化特性分析颗粒面积比例演化特性分析 颗粒面积比例大小反映了红砂岩的密实程度，即内部孔洞、微裂缝等缺陷的发育情况。随着红砂岩风化程度的增强，红砂岩的颗粒面积比例减小，内部孔洞、微裂缝等缺陷增多，红砂岩的单轴抗压强度降低。同时，荷载作用下颗粒面积比例的变化反映了红砂岩内部裂缝-损伤的发展情况。因此，红砂岩的颗粒面积比例和风化程度存在一定的关联性。图 2 给出了不同风化程度的红砂岩干燥状态下应变-颗粒面积比例关系曲线，从图中可以看出：随着应变的增加，各风化程度红砂岩的颗粒面积比例变化规律基本一致，可分为两个阶段：在应变较小时，红砂岩的颗粒面积比例变化缓慢，略

20、有增大，说明部分孔洞或微裂缝在荷载作用下闭合，同时现有荷载不足以使微裂缝扩展，导致红砂岩内部缺陷趋于减少，该阶段红砂岩的结构强化占优势；但当应变超过某值后，随着应变量的增大，颗粒面积比例趋于减小，说明该阶段红砂岩内部固有的孔洞、微裂缝等缺陷在荷载作用下开始扩展，且速度越来越快，该阶段结构弱化占优势，直至岩样破坏。对于风化程度较强的红砂岩而言，其内部结构含有相对较多的孔洞、微裂缝等缺陷，颗粒之间联结较弱，颗粒在荷载作用下容易发生移动，因此弱风化的红砂岩更易发生变形，且强度较低。6065707580859095100051015应变/%颗粒面积比例/%60657075808590951000510

21、15应变/%颗粒面积比例/%弱风化弱风化中风化中风化强风化强风化全风化全风化 0.40.50.60.70.80.91.01.11.21.3051015应变/%孔隙分布分维0.40.50.60.70.80.91.01.11.21.3051015应变/%孔隙分布分维全风化全风化强风化强风化中风化中风化弱风化弱风化 图 2 红砂岩干燥状态下应变-颗粒面积比例关系曲线 Fig.1 Relation curve between strain and grains area ratio of red sandstone with dry state 图 3 红砂岩干燥状态下应变-孔隙分布分维关系曲线Fig

22、.2 Relation curve between strain and holes distributing fractal dimension of red sandstone with dry state http:/-6-4.2 孔隙平面分布演化特性分析孔隙平面分布演化特性分析 图 4 给出了不同风化程度的红砂岩干燥状态下应变-孔隙分布分维关系曲线。从图中可以看出：红砂岩风化程度越弱，孔隙分布分维值越小，内部孔隙越不发育，与弱风化红砂岩较高的颗粒面积比例和较高的无侧限抗压强度一致。与颗粒面积比例的变化相比，孔隙分布分维的变化也分可为结构强化占优阶段和结构弱化占优阶段。加载前后孔隙分布分

23、维值变化较大，加载前分维值在 0.4710.672 之间，加载后分维值在 0.7741.204 之间，这种差异主要是岩样内部孔洞、微裂缝等缺陷分布的不均匀性和荷载作用下这些缺陷进一步扩张造成的；随荷载的增加，孔隙分布分维数先缓慢减小或保持不变，后持续增加，直至岩样破坏。出现这种变化趋势是因为在加载初期，红砂岩内部固有的孔洞及微裂缝部分闭合，红砂岩各断面的受力面增加，但随着轴向荷载的继续增加，颗粒集聚体之间的联接开始断裂，使得孔洞及微裂缝开始重新扩展，导致孔隙分布分维不断增加。4.3 颗粒联接演化特性分析颗粒联接演化特性分析 图4给出了不同风化程度的红砂岩干燥状态下应变-欧拉数关系曲线。从图中可

24、以看出：风化程度较低的红砂岩具有较高的欧拉数，说明其内部颗粒及颗粒集聚体之间的联结带发育较好，多数孔洞及微裂缝处于孤立状态，内部结构具有较强的稳定性，而风化程度较高的红砂岩则与之相反。因此弱风化的红砂岩具有较好的抗变形能力和较高的抗压强度。在荷载作用下，红砂岩的欧拉数先增后减，具有明显的峰值。这种变化规律表明：在加载初期，伴随着部分孔洞和微裂缝的闭合，颗粒及颗粒集聚体的联结带增多，红砂岩内部结构稳定性增强，但随着荷载的继续增加，孔洞及微裂缝开始向四周延伸，联结带逐步断裂，红砂岩内部孔隙率和变形量显著增大。欧拉数的变化规律印证了水泥土内部孔隙、微裂缝等缺陷的演化特征。5.结结 论论 本文运用微细

25、结构光学测试系统对不同分化程度的红砂岩的初始结构及单轴压缩条件下微细结构的变化进行了观测，提取了岩样在各种状态下的微细结构量化参数，并运用多元回归分析法对红砂岩单轴抗压强度和各微细结构量化参数进行了相关性分析，从而筛选出了对红砂岩强度有显著影响的微细结构要素，在此基础上，分析了单轴荷载作用下显著性微细结构要素的演化特性，主要得到以下几点认识：红砂岩的单轴抗压强度主要与密实程度、孔洞等缺陷的分布情况及颗粒之间的联结状态有关，随着红砂岩风化程度的增强，以上各因素对其单轴抗压强度的影响将更加显著；红砂岩的密实程度、孔洞等缺陷的分布情况及颗粒联结状态与风化程度存在一定的关联性；随荷载的增加，红砂岩的颗

26、粒面积比例及欧拉数总体上趋于减小，孔隙分布分维趋于增大，内部结构的稳定性不断降低。0.10.20.30.40.50.60.7051015应变欧拉数0.10.20.30.40.50.60.7051015应变欧拉数全风化全风化强风化强风化中风化中风化弱风化弱风化 图 4 红砂岩干燥状态下应变-欧拉数关系曲线 Fig.3 Relation curve between strain and Euler number of red sandstone with dry state http:/-7-参考文献参考文献 1吴义祥.工程粘性土微观结构的定量评价J.地球学报,1991,2:5-12.(Wu Yi

27、xiang.Quantitative Approach on Micro-structure of Engineering Clay.Acta Geosicientia Sinica,1991,2:5-12.(in Chinese)2刘松玉,张继文.土中孔隙分布的分形特征研究J.东南大学学报(自然科学版),1997,27(3):127-130.(Liu Songyu,Zhang Jiwen.Fractal Appraoch to Measuring Soil Porosity.Jurnal of Southeast University(Natural Science Edition),199

28、7,27(3):127-130.(in Chinese)3 刘松玉,方磊.我国特殊土粒度分布的分形结构J.岩土工程学报,1993,5(1):23-30.(Liu Songyu,Fang Lei.ractal Structure of Granularity Distribution of Regional Soils in China.Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1993,5(1):23-30.(in Chinese)4胡瑞林,李向全,官国琳等.粘性土微观结构定量模型及其工程地质特征研究M.北京:地质出版社,1995.(Hu Ruil

29、in,Li Xiangquan,Guan Guolin,et al.Quantitative Microstructure Models of Clayey soils and their Engineering BehaviorsM.Beijing：Geological Publishing House,1995.(in Chinese)5刘敬辉，洪宝宁，张海波.土体微细结构变化过程的试验研究方法J.岩土力学，2003，24(5):744-747.(Liu Jinghui,Hong Baoning,Zhang Haibo.A New Experimental Method of Soil M

30、icrostructure Changing ProcessJ.Chinese Journal of Rock and Soil Mechanics,2003,24(5):744747.(in Chinese)6张勇.南京红砂岩细观损伤演化特性及其本构模型试验研究硕士学位论文 D.南京:河海大学,2005.(Zhang Yong.Experimental study on meso-damage development properties of Nanjing red sandstone and its constitutive modelD.Nanjing:Hohai university

31、,2005.(in Chinese)7 雷 华 阳.饱 和 软 黏 土 固 结 变 形 的 微 细 结 构 效 应 J.水 利 学 报,2004,4:91-95,100.(Lei Huayang.Micro-structural Effect of Consolidation Deformation in Saturated Soft ClayJ.Chinese Journal of Hydraulic Engineering,2004,4:91-95,100.(in Chinese)Analysis on Strength Property of Red Sandstone in Micro

32、structural Terms Hu Xin1,Hong Baoning1,Zhou Yuquan2 1Research Institute of Geotechnical Engineering,Hohai university,Nanjing,China(210098)2Nanjing Civic Department for Expressways Construction,Nanjing,China(210008)Abstract By using optical testing systems made by our own lab，microstructure changes o

33、f red sandstone under load was tracked whole course,the unconfined compressive strength of corresponding rock specimen was measured and the comparable quantitative parameters were extracted.The correlations between unconfined compressive strength and micro-structural parameters were analyzed by usin

34、g multi-linear regression method,then micro-structural elements closely linked with unconfined compressive strength of red sandstone were filtered and evolvemental characteristics of prominent micro-structural elements were analyzed.The studys findings indicate:the unconfined compressive strength of

35、 red sandstone is mainly lined with compaction rate,pore distribution and condition of being linked with grains and the above factors have a more notable impact on its unconfined compressive strength;grains area ratio and Euler number decrease as a whole,pores directionality gradually increases,stability of its internal structure reduces.Keywords:red sandstone,microstructure,relevance analysis,evolutionary characteristic 作者简介：作者简介：胡昕(1979-)，男，新疆阿勒泰人，博士研究生，主要从事岩土体微结构理论和试验研究工作。